RU2754476C1 - Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory - Google Patents

Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory Download PDF

Info

Publication number
RU2754476C1
RU2754476C1 RU2020111994A RU2020111994A RU2754476C1 RU 2754476 C1 RU2754476 C1 RU 2754476C1 RU 2020111994 A RU2020111994 A RU 2020111994A RU 2020111994 A RU2020111994 A RU 2020111994A RU 2754476 C1 RU2754476 C1 RU 2754476C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diagnostics
gas turbine
turbine engines
vibration
vibrational
Prior art date
Application number
RU2020111994A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ильяс Ильгизович Шигапов
Николай Николаевич Попов
Александр Николаевич Казаринов
Николай Николаевич Сенной
Антон Григорьевич Соколов
Константин Геннадьевич Голубев
Original Assignee
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" filed Critical Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова"
Priority to RU2020111994A priority Critical patent/RU2754476C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2754476C1 publication Critical patent/RU2754476C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00Testing of engines
    • G01M15/04Testing internal-combustion engines
    • G01M15/12Testing internal-combustion engines by monitoring vibrations
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00Testing of engines
    • G01M15/14Testing gas-turbine engines or jet-propulsion engines

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: testing.SUBSTANCE: present invention relates to methods for vibrational diagnostics of intermittent mechanisms, in particular, to a method for vibrational diagnostics of gas turbine engines (GTE). The substance of the invention consists in identifying certain characteristics of the object, which remain unchanged during normal operation of the object and change with occurrence of defects. The characteristics (invariants) are then used as direct or indirect diagnostic indicators. Realised in the method is a possibility of applying the apparatus of cumulants of higher-order spectra to obtain a system of diagnostic indicators and invariants suitable for identifying the early stages of development of damage to the bearing supports of a GTE, including at rotor rates corresponding to the cold or technological engine motoring modes.EFFECT: method makes it possible to increase the accuracy, certainty and efficiency of diagnostics of gas turbine engines in resource-conserving modes of operation.1 cl, 9 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к способам вибрационной диагностики механизмов периодического действия, а именно, к способу вибродиагностирования газотурбинного двигателя (ГТД). На практике предлагаемый способ может быть применен для мониторинга вибросостояния ГТД морского и речного транспорта, кораблей и судов Военно-морского флота, а также может быть применен для вибродиагностирования двигателей, используемых в электроэнергетике и для транспортировки газа.The present invention relates to methods for vibration diagnostics of intermittent mechanisms, namely, to a method for vibration diagnostics of a gas turbine engine (GTE). In practice, the proposed method can be used to monitor the vibration state of gas turbine engines of sea and river transport, ships and vessels of the Navy, and can also be used for vibration diagnostics of engines used in the electric power industry and for gas transportation.

В настоящее время довольно широко распространены способы определения состояния различных технических объектов при вибродиагностике, включающие получение вибродиагностических параметров в виде вибросигнала (перемещение, скорость, ускорение и т.д. исследуемого объекта) во временной области, его последующую обработку. Данные методы основаны на том, что в процессе работы объекта диагностирования динамические процессы вызывают колебания как подвижных, так и неподвижных частей механизма, которые передаются его корпусу. Для диагностирования механизма измеряют вибрационный сигнал и по его анализу делают вывод о состоянии объекта. Основными недостатками способов [1-3, 5, 6], которые по технической сущности наиболее подходят к предлагаемому изобретению, являются:At present, methods for determining the state of various technical objects during vibration diagnostics are quite widespread, including obtaining vibrodiagnostic parameters in the form of a vibration signal (movement, speed, acceleration, etc. of the object under study) in the time domain, and its subsequent processing. These methods are based on the fact that during the operation of the diagnostic object, dynamic processes cause vibrations of both moving and stationary parts of the mechanism, which are transmitted to its body. To diagnose the mechanism, a vibration signal is measured and, based on its analysis, a conclusion is made about the state of the object. The main disadvantages of the methods [1-3, 5, 6], which in technical essence are most suitable for the proposed invention, are:

- проведение диагностирования объекта на рабочих режимах;- carrying out diagnostics of the object in operating modes;

- возможность фиксирования уже имеющихся дефектов объекта диагностирования, когда современные условия эксплуатации, требует выявление дефектов на стадии зарождения;- the possibility of fixing already existing defects of the object of diagnostics, when modern operating conditions require the identification of defects at the stage of inception;

- контроль общего уровня вибрации [3, 5, 6], в полосе роторных частот, или измерение и контроль вибраций на частотах первых гармоник роторов, что позволяет решать задачи аварийной защиты ГТД, но не позволяет решать задачи эффективной диагностики неисправностей роторных подшипников на ранней стадии даже с применением различных методов трендового и вероятностного анализа общего уровня вибрации.- control of the general level of vibration [3, 5, 6], in the rotor frequency band, or measurement and control of vibrations at the frequencies of the first harmonics of the rotors, which allows solving the problems of emergency protection of gas turbine engines, but does not allow solving the problems of effective diagnostics of malfunctions of rotor bearings at an early stage even using various methods of trend and probabilistic analysis of the overall vibration level.

Известен способ вибродиагностики технического состояния поршневых машин [7], который не совпадает по объекту исследования, но очень близок по способу обработки результатов диагностирования. Недостатками предлагаемого способа являются:There is a known method of vibrodiagnostics of the technical state of piston machines [7], which does not coincide in the object of research, but is very similar in the method of processing the diagnostic results. The disadvantages of the proposed method are:

- способ рассмотрен применительно к поршневым машинам (отличие не только по назначению, но и по конструктивному исполнению рассматриваемых технических устройств не может гарантированно дать ответ в корректности применения данного способа для диагностирования ГТД, в достоверности полученных результатов и требует проведение дополнительных исследований);- the method is considered in relation to piston machines (the difference not only in purpose, but also in the design of the technical devices under consideration cannot be guaranteed to give an answer in the correctness of the application of this method for diagnosing a gas turbine engine, in the reliability of the results obtained and requires additional research);

- диагностирование объекта производится на рабочих режимах;- the object is diagnosed in operating modes;

- авторы проводят анализ уровня спектральных инвариант амплитудно-частотного спектра вибрации корпуса диагностируемой поршневой машины с учетом зависимости уровня спектральных инвариант от технического состояния его деталей (в частности клапанов поршневого компрессора, крейцкопфа, деталей цилиндропоршневой группы поршневой машины, и т.д.). В работе не уделено внимание установлению и исследованию изменений корреляционных связей между каналами измерений в системе вибродиагностики, которые имеют свойство изменяться во времени относительно развития различных дефектов и могут повысить качество проведения диагностических исследований.- the authors analyze the level of spectral invariants of the amplitude-frequency spectrum of vibration of the body of the diagnosed piston machine, taking into account the dependence of the level of spectral invariants on the technical state of its parts (in particular, valves of a piston compressor, crosshead, parts of the cylinder-piston group of a piston machine, etc.). The work does not pay attention to the establishment and study of changes in correlations between the measurement channels in the vibration diagnostics system, which tend to change over time with respect to the development of various defects and can improve the quality of diagnostic studies.

Прототипом предлагаемого способа является способ вибродиагностирования ГТД на режимах холодной прокрутки и выбега роторов, представленный в [4]. В своей работе авторами предлагается следующий алгоритм действий: запись вибраций ГТД с нужными параметрами дискретизации на режимах холодной прокрутки (ХП), получении каскадного спектра вибросигналов с дальнейшим выявлением первых гармоник роторов, по которым производится расчет подшипниковых составляющих и сравнение полученных результатов с неким эталонным значением по которому вырабатывается диагноз технического состояния объекта. Недостатки способа прототипа:The prototype of the proposed method is a method for vibration diagnostics of a gas turbine engine in the modes of cold scrolling and rundown of rotors, presented in [4]. In their work, the authors propose the following algorithm of actions: recording the vibrations of a gas turbine engine with the required discretization parameters in cold cranking (CP) modes, obtaining a cascade spectrum of vibration signals with the further identification of the first harmonics of the rotors, according to which the bearing components are calculated and the results obtained are compared with a certain reference value according to to which a diagnosis of the technical condition of the object is developed. Disadvantages of the prototype method:

- способ рассмотрен применительно к авиационным ГТД. Авиационные ГТД в отличие от ГТД для морского и речного транспорта, а также от ГТД используемых в электроэнергетике и для транспортировки газа имеют ряд не только конструктивных особенностей: большие массогабаритные характеристики, наличие в конструкции турбины винта (вала генератора, нагнетателя газа), активно-реактивное исполнение проточной части, параметры работы и т.п.), а также отличительные особенности в условиях эксплуатации: повышенная влажность воздуха и наличие в воздухе капель морской воды, которые приводят к неравномерному солеотложению по длине проточной части(для ГТД морского и речного транспорта); наличии пыли в атмосфере, которая негативно воздействует на многие узлы ГТД(для ГТД используемых в электроэнергетике и для транспортировки газа). Изменение геометрии проточной части ГТД приводит к изменению параметров работы двигателя. Все перечисленные выше конструктивные и эксплуатационные особенности существенным образом влияют на качественные и количественные показатели вибросигнала.- the method is considered in relation to aviation GTE. Aviation GTEs, unlike GTEs for sea and river transport, as well as GTEs used in the electric power industry and for gas transportation, have a number of not only design features: large weight and size characteristics, the presence of a propeller (generator shaft, gas blower) in the turbine design, active jet execution of the flow path, operating parameters, etc.), as well as distinctive features in operating conditions: high air humidity and the presence of seawater droplets in the air, which lead to uneven scale deposition along the length of the flow path (for gas turbine engines of sea and river transport); the presence of dust in the atmosphere, which negatively affects many units of the gas turbine engine (for gas turbine engines used in the electric power industry and for gas transportation). Changing the geometry of the gas-turbine engine flow path leads to a change in the engine operating parameters. All of the above design and operational features significantly affect the qualitative and quantitative indicators of the vibration signal.

- авторы проводят анализ полученного каскадного спектра и индетифицируют первые роторные гармоники соответствующие конкретной неисправности, при этом, как и в работе [7], не уделено внимание установлению и исследованию изменений корреляционных связей между каналами измерений в системе вибродиагностики, которые также имеют свойство изменяться во времени и могут повысить качество проведения диагностических исследований.- the authors analyze the obtained cascade spectrum and identify the first rotor harmonics corresponding to a specific fault, while, as in [7], no attention is paid to the establishment and study of changes in correlations between the measurement channels in the vibration diagnostics system, which also tend to change over time and can improve the quality of diagnostic tests.

Задача изобретения - разработать способ определения технического состояния сложных технических систем, на примере ГТД, на основе статистического анализа корреляционных связей в многоканальных системах виброизмерений и анализа спектров высших порядков с применением теории инвариантов. При этом диагностирование объекта должно проводится проводится на ресурсосберегающих режимах.The objective of the invention is to develop a method for determining the technical state of complex technical systems, using the example of a gas turbine engine, based on statistical analysis of correlations in multichannel vibration measurement systems and analysis of higher-order spectra using the theory of invariants. In this case, the diagnosis of the object should be carried out in resource-saving modes.

Задача заявленного изобретения решается за счет того, что в настоящей работе исследована возможность применения аппарата кумулянтов высших порядков для получения системы диагностических признаков и инвариантов, пригодных для распознавания ранних стадий развития повреждения подшипниковых опор ГТД, в т.ч. на частотах вращения роторов, соответствующих режимам холодной или технологической прокруток (ХП или ТП) двигателя.The objective of the claimed invention is solved due to the fact that in the present work the possibility of using the apparatus of cumulants of higher orders to obtain a system of diagnostic signs and invariants suitable for recognizing the early stages of damage to the bearing supports of a gas turbine engine, incl. at rotor speeds corresponding to the modes of cold or technological scrolling (HP or TP) of the engine.

Математический аппарат обработки кумулянтов, предложенный в данном изобретении, структурно состоит из двух алгоритмов:The mathematical apparatus for processing cumulants proposed in this invention structurally consists of two algorithms:

1) алгоритма проверки гипотез линейности и гауссовости исследуемого процесса. В данном алгоритме реализована и проверена гипотеза нарушения определенных характеристик линейности и гауссовости процесса при возникновении и развитии повреждения;1) an algorithm for testing the hypotheses of linearity and Gaussianity of the process under study. In this algorithm, the hypothesis of violation of certain characteristics of linearity and Gaussianity of the process in the event of the occurrence and development of damage is realized and tested;

2) алгоритма обработки матриц кумулянтов высших порядков с применением процедуры метрического шкалирования диагностических инвариантов в регуляризированной версии.2) an algorithm for processing higher-order cumulant matrices using the procedure of metric scaling of diagnostic invariants in the regularized version.

Для выявления инвариантных диагностических признаков при использовании математического аппарата спектрального анализа высшего порядка, необходимо рассмотреть общие положения прикладного анализа случайных данных, которые требуются для определения кумулянтов спектров высших порядков.To identify invariant diagnostic features when using the higher-order mathematical apparatus of spectral analysis, it is necessary to consider the general provisions of applied analysis of random data, which are required to determine the cumulants of higher-order spectra.

Пусть совокупность выборочных функций xk(t) (ансамбль, где t - переменная, а k - фиксировано) определяет случайный процесс. Среднее значение (первый момент) этого случайного процесса в момент времени t1 можно вычислить, взяв мгновенные значения всех выборочных функций ансамбля в момент времени t1, сложив эти значения и разделив на числоLet the set of sample functions x k (t) (ensemble, where t is a variable and k is fixed) defines a random process. The average value (first moment) of this random process at time t 1 can be calculated by taking the instantaneous values of all sample functions of the ensemble at time t 1 , adding these values and dividing by the number

выборочных функций. Аналогичным образом ковариацию (смешанный момент) значений случайного процесса в два различных момента времени (ковариационная функция) вычисляется путем усреднения по ансамблю произведений мгновенных значений в моменты времени t1 и t1+τ. Следовательно, среднее значение μx(t1) и ковариационная функция Rxx(t1,t1+τ) случайного процесса {x(t)} определяется формулами:selective functions. Similarly, the covariance (mixed moment) of the values of a random process at two different times (covariance function) is calculated by averaging over the ensemble of the products of instantaneous values at times t 1 and t 1 + τ. Therefore, the mean value μ x (t 1 ) and the covariance function R xx (t 1 , t 1 + τ) of the random process {x (t)} are determined by the formulas:

Figure 00000001
Figure 00000001

в которых суммирование производится в предположении равновероятности всех выборочных функций. В общем случае, когда μх (t1) и Rxx(t1, t1+τ) зависят от момента времени t1, случайный процесс {x(t)} называют нестационарным. В том случае, когда отсутствует зависимость от времени t1, случайный процесс называется слабо стационарным или стационарным в широком смысле.in which the summation is performed under the assumption that all sample functions are equally probable. In the general case, when μ x (t 1 ) and R xx (t 1 , t 1 + τ) depend on the time t 1 , the random process {x (t)} is called nonstationary. In the case when there is no dependence on time t 1 , the random process is called weakly stationary or stationary in a broad sense.

Среднее значение слабо стационарного процесса постоянно, а ковариационная функция зависит только от сдвига времени τ, т.е. μx (t1)=μx и Rxx(t1, t1+τ)=Rxx(τ).The average value of a weakly stationary process is constant, and the covariance function depends only on the time shift τ, i.e. μ x (t 1 ) = μ x and R xx (t 1 , t 1 + τ ) = R xx (τ).

Для определения полного набора функций распределения, задающих структуру случайного процесса {x(t)}, нужно вычислить бесконечное числоTo determine the complete set of distribution functions that define the structure of the random process {x (t)}, it is necessary to calculate an infinite number

моментов и смешанных моментов высших порядков. В том случае, когда все моменты и смешанные моменты инвариантны во времени, случайный процесс {x(t)} называется строго стационарным или стационарным в узком смысле.moments and mixed moments of higher orders. In the case when all moments and mixed moments are invariant in time, the random process {x (t)} is called strictly stationary or stationary in the narrow sense.

В большинстве случаев характеристики стационарного случайного процесса можно вычислить, усредняя по времени в пределах отдельных выборочных функций, входящих в ансамбль. Возьмем k-ую выборочную функцию ансамбля. Среднее значение μх(k) и ковариационная функция Rxx (τ, k), вычисленные по k-ой реализации равны:In most cases, the characteristics of a stationary random process can be calculated by averaging over time within the individual sample functions included in the ensemble. Take the k-th sample ensemble function. The mean value μ х (k) and the covariance function R xx (τ, k), calculated from the kth implementation, are equal to:

Figure 00000002
Figure 00000002

Если случайный процесс {x(t)} стационарен, а μх(k) и Rxx(τ, k), вычисленные по различным реализациям согласно формулам (3.2) совпадают, то случайный процесс называется эргодическим. Для эргодических процессов средние значения и ковариационные функции, полученные усреднением по времени, равны аналогичным характеристикам, найденным усреднением по ансамблю, т.е. μх(k)=μх и Rxx(τ, k)=Rxx(τ).If the random process {x (t)} is stationary, and μ х (k) and R xx (τ, k) calculated from different realizations according to formulas (3.2) coincide, then the random process is called ergodic. For ergodic processes, the mean values and covariance functions obtained by averaging over time are equal to the analogous characteristics found by averaging over the ensemble, i.e. μ х (k) = μ х and R xx (τ, k) = R xx (τ).

Для двух случайных процессов {xk(t)} и {yk(t)} необходимо оценить их совместные свойства путем соответствующего анализа произвольной пары выборочных функций xk(t) и yk(t).For two random processes {x k (t)} and {y k (t)}, it is necessary to estimate their joint properties by an appropriate analysis of an arbitrary pair of sample functions x k (t) and y k (t).

Средние значения по ансамблю в произвольный фиксированный момент времени t:Average values over the ensemble at an arbitrary fixed time t:

Figure 00000003
Figure 00000003

где М[ ] - математическое ожидание.where М [] - mathematical expectation.

Корреляционные функции, определенные для произвольных фиксированных моментов времени t1=t и t2=t1+τ:Correlation functions defined for arbitrary fixed times t 1 = t and t 2 = t 1 + τ :

Figure 00000004
Figure 00000004

В общем случае эти величины различны для различных комбинаций t1 и t2. При τ=0 (t=t1=t2):In general, these values are different for different combinations of t 1 and t 2 . For τ = 0 (t = t 1 = t 2 ):

Figure 00000005
Figure 00000005

т.е. корреляционные функции Cxx(t,t) и Cyy(t,t) совпадают с обычными дисперсиями процессов {xk(t)} и {yk(t)} в фиксированный момент времени t, в то время как Cxy(t,t) - представляет собой ковариацию случайных величин {xk(t)} и {yk(t)}.those. the correlation functions C xx (t, t) and C yy (t, t) coincide with the usual variances of the processes {x k (t)} and {y k (t)} at a fixed time moment t, while C xy ( t, t) - represents the covariance of the random variables {x k (t)} and {y k (t)}.

Для стационарных случайных процессов можно записать:For stationary random processes, you can write:

Figure 00000006
Figure 00000006

где р(х) и р(у) - плотности вероятности случайных величин xk(t) и yk(t). Корреляционные функции стационарных процессов не зависят от t.where p (x) and p (y) are the probability densities of the random variables x k (t) and y k (t). The correlation functions of stationary processes are independent of t.

Найдем для произвольных фиксированных t их функции:Let us find their functions for arbitrary fixed t:

Figure 00000007
Figure 00000007

где вместо С используется символ R для того, чтобы отличать эти величины от корреляционных функций, введенных формулами (4). При ненулевых средних R отличны от С.where instead of C the symbol R is used in order to distinguish these values from the correlation functions introduced by formulas (4). For nonzero means, R is different from C.

Величины Rxx(τ) и Ryy(τ) называются автокорреляционными или ковариационными функциями процессов {xk(t)} и {yk(t)}, a Rxy(τ) - взаимной ковариационной функцией {xk(t)} и {yk(t)}.The quantities R xx (τ) and R yy (τ) are called autocorrelation or covariance functions of the processes {x k (t)} and {y k (t)}, and R xy (τ) is the mutual covariance function {x k (t) } and {y k (t)}.

Для двух процессов {xk(t)} и {yk(t)} совместная плотность вероятности p(x1, х2) пары случайных величин x1=xk(t) и х2=xk(t+τ) не зависит от t. Совместная плотность вероятности p (y1, y2), относящаяся к паре случайных величин y1=yk(t) и y2=yk(t+τ), тоже не зависит от t. Этим же свойством обладает совместная плотность вероятности p(x1, y2). В терминах этих плотностей:For two processes {x k (t)} and {y k (t)}, the joint probability density p (x 1 , x 2 ) of a pair of random variables x 1 = x k (t) and x 2 = x k (t + τ ) does not depend on t. The joint probability density p (y 1 , y 2 ) for a pair of random variables y 1 = y k (t) and y 2 = y k (t + τ) is also independent of t. The joint probability density p (x 1 , y 2 ) has the same property. In terms of these densities:

Figure 00000008
Figure 00000008

Рассмотрим определение спектральной плотности. Первый способ состоит в выполнении преобразования Фурье от предварительно вычисленной ковариационной функции. Этот подход дает двустороннюю спектральную плотность, обозначаемую S(f) и определенную для частоты f из (-∞, ∞).Consider the definition of spectral density. The first way is to perform a Fourier transform from a pre-computed covariance function. This approach gives a two-sided spectral density denoted by S (f) and defined for a frequency f from (-∞, ∞).

Пусть существуют ковариационные и взаимная ковариационная функции Rxx(τ), Ryy(τ), Rxy(τ), задаваемые формулами (7). Предположим, что конечны интегралы от их абсолютных величин:Let there exist covariance and mutual covariance functions R xx (τ), R yy (τ), R xy (τ) given by formulas (7). Suppose that the integrals of their absolute values are finite:

Figure 00000009
Figure 00000009

На практике это условие всегда выполняется для реализаций конечной длины. Тогда преобразование Фурье функций R(τ) существуют и определяются формулами:In practice, this condition is always satisfied for realizations of finite length. Then the Fourier transform of the functions R (τ) exist and are determined by the formulas:

Figure 00000010
Figure 00000010

Величины Sxx(f), Syy(f) называются функциями спектральной плотности процессов {xk(t)} и {yk(t)}, а Sxy(f) - взаимной спектральной плотностью {xk(t)} и {yk(t)}.The quantities S xx (f), S yy (f) are called the spectral density functions of the processes {x k (t)} and {y k (t)}, and S xy (f) is called the mutual spectral density {x k (t)} and {y k (t)}.

Обратные преобразования Фурье от формул (10) дают:Inverse Fourier transforms from formulas (10) give:

Figure 00000011
Figure 00000011

Соотношения (10) и (11) называются формулами Винера-Хинчина.Relations (10) and (11) are called Wiener-Khinchin formulas.

Спектральная функция является исходным средством для обработки виброакустических сигналов. Полезность спектральной функции вытекает из важной теоремы, известной как разложение Уолша, которая утверждает, что любой дискретный во времени стационарный случайный процесс может быть выражен в следующем виде:The spectral function is the initial means for processing vibroacoustic signals. The usefulness of the spectral function stems from an important theorem known as the Walsh expansion, which states that any time-discrete stationary random process can be expressed in the following form:

Figure 00000012
Figure 00000012

в котором процессы у(t) и z(t) некоррелированы и процесс y(t) представляет собой линейный процесс:in which the processes у (t) and z (t) are uncorrelated and the process y (t) is a linear process:

Figure 00000013
Figure 00000013

Автокорреляционная функция или автокорреляционная последовательность стационарного процесса, xk(t), определяется формулой (7):The autocorrelation function or autocorrelation sequence of a stationary process, x k (t), is determined by the formula (7):

Figure 00000014
Figure 00000014

Спектральная функция выражена как преобразование Фурье автокорреляционной последовательности:The spectral function is expressed as the Fourier transform of the autocorrelation sequence:

Figure 00000015
Figure 00000015

где f - частота. Эквивалентное определение имеет вид:where f is the frequency. The equivalent definition is:

Figure 00000016
Figure 00000016

где X(f) - преобразование (Фурье) x(t)where X (f) is the (Fourier) transform x (t)

Figure 00000017
Figure 00000017

Необходимым, но не обязательным, условием существования спектральной функции является то, что автокорреляция должна быть абсолютно суммируемой. Спектральная функция вещественна и неотрицательна, т.е. Sxx(f)≥0; если x(t) вещественна, то спектральная функция также четна Sxx(f)=Sxx(-f).A necessary, but not mandatory, condition for the existence of a spectral function is that the autocorrelation must be absolutely summable. The spectral function is real and non-negative, i.e. S xx (f) ≥0; if x (t) is real, then the spectral function is also even S xx (f) = S xx (-f).

Введем определение кумулянтов:Let's introduce the definition of cumulants:

Кумулянты представляют собой нелинейные комбинации моментов высших порядков, которые, в свою очередь, являются обобщениями автокорреляции.Cumulants are nonlinear combinations of higher-order moments, which, in turn, are generalizations of autocorrelation.

Кумулянт первого порядка стационарного процесса есть среднее значениеThe first-order cumulant of a stationary process is the average value

Figure 00000018
Figure 00000018

Кумулянты высшего порядка инвариантны относительно сдвига среднего значения, - следовательно, представляется удобным их определение при условии нулевого среднего.Higher-order cumulants are invariant with respect to the shift of the mean value; therefore, it seems convenient to define them under the condition of a zero mean.

Кумулянты второго-, третьего и четвертого порядка нулевого среднего стационарного процесса определяются по формулам:Cumulants of the second, third and fourth order of the zero mean of a stationary process are determined by the formulas:

Figure 00000019
Figure 00000019

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

где E2x(m)=M[x(t)x(t+m)], и равно C2x(m), для вещественного процесса. Таким образом, кумулянт первого порядка представляет собой среднее значение процесса; а кумулянт второго порядка - автоковариационную последовательность.where E 2x (m) = M [x (t) x (t + m)], and is equal to C 2x (m), for a real process. Thus, the first order cumulant is the process mean; and the second-order cumulant is an autocovariance sequence.

Введем для кумулянтов нулевой задержки специальные обозначения:Let us introduce special designations for the zero-delay cumulants:

- С(0) - представляет собой дисперсию и обычно обозначается как σ2 x;- C 2x (0) - represents a variance and is usually denoted as σ 2 x ;

- С(0,0) и С(0,0,0) обычно обозначаются как γ и γ.- C 3x (0,0) and C 4x (0,0,0) are usually designated as γ 3x and γ 4x .

Обратимся к нормированным величинам, γ3 - асимметрии и γ4x4 - эксцессу. Эти обе нормированные величины инвариантны относительно сдвига и масштаба. Если x(t) симметрично распределен, то его асимметрия обязательно равна нулю (но не наоборот); если x(t) нормально распределен, то его эксцесс обязательно равен нулю (но не наоборот). Часто термины «асимметрия» и «эксцесс» используются для обозначения величин, γ и γ.Let us turn to the normalized values, γ 3x / σ 3 2x - asymmetries and γ 4x / σ 4 2x - excess. These both normalized quantities are offset and scale invariant. If x (t) is symmetrically distributed, then its asymmetry is necessarily equal to zero (but not vice versa); if x (t) is normally distributed, then its kurtosis is necessarily zero (but not vice versa). Often the terms "skewness" and "kurtosis" are used to denote the quantities γ 3x and γ 4x .

Если x(t) статистически независим относительно y(t), тоIf x (t) is statistically independent with respect to y (t), then

Figure 00000022
Figure 00000022

характеризуясь одинаковыми зависимостями, сохраняющимися для кумулянтов всех порядков.characterized by the same dependencies that remain for the cumulants of all orders.

Такое свойство аддитивности значительно упрощает проведение анализа на основе кумулянтов.This additivity property greatly simplifies the cumulant-based analysis.

Кумулянты стационарного вещественного процесса симметричны относительно своих аргументов, то есть:The cumulants of a stationary real process are symmetric with respect to their arguments, that is:

Figure 00000023
Figure 00000023

Полиспектр k-порядка определен как преобразование Фурье соответствующей последовательности кумулянтов:The k-order poly-spectrum is defined as the Fourier transform of the corresponding sequence of cumulants:

Figure 00000024
Figure 00000024

которые соответственно представляют собой спектральную функцию, биспектр и триспектр. Заметим, что биспектр есть функция двух плотностей вероятности, в то время как триспектр - функция 3-х плотностей. В отличие от спектральной функции, которая вещественна и неотрицательна, биспектры и триспектры комплексозначны.which respectively represent spectral function, bispectrum and trispectrum. Note that bispectrum is a function of two probability densities, while trispectrum is a function of three densities. Unlike the spectral function, which is real and non-negative, bispectra and trispectra are complex-valued.

Для вещественного процесса характерен переход от симметричности кумулянта к симметричности полиспектров. Спектральная функция симметрична (кратна): S2x(f)=S2x(-f). Симметричность биспектра имеет вид:For a real process, a transition from the symmetry of the cumulant to the symmetry of polyspectra is characteristic. The spectral function is symmetric (multiple): S 2x (f) = S 2x (-f). The bispectrum symmetry is:

Figure 00000025
Figure 00000025

Причина, обусловливающая использование кумулянтов и полиспектров порядка

Figure 00000026
, выражена как (mk=(m1…,mk-1)):The reason for the use of cumulants and polyspectra of order
Figure 00000026
, expressed as (m k = (m 1 ..., m k-1 )):

Если z(t)=x(t)+y(t), a x(t) и y(t) являются независимыми процессами, то Ckz(mk)=Ckz(mk)+Cky(mk).If z (t) = x (t) + y (t), ax (t) and y (t) are independent processes, then C kz (m k ) = C kz (m k ) + C ky (m k ) ...

Если x(t) имеет одномерное гауссовое распределение, то Ckz(mk)=0,

Figure 00000026
.If x (t) has a one-dimensional Gaussian distribution, then C kz (m k ) = 0,
Figure 00000026
...

Следовательно, если z(t)=x(t)+w(t), где w(t) нормальна и независима от x(t), тогда, при

Figure 00000026
, Ckz(mk)=Ckx(mk). Таким образом, возможно восстановить кумулянты высшего порядка негауссовского сигнала даже в присутствии гауссова шума.Therefore, if z (t) = x (t) + w (t), where w (t) is normal and independent of x (t), then, for
Figure 00000026
, C kz (m k ) = C kx (m k ). Thus, it is possible to recover the higher order cumulants of a non-Gaussian signal even in the presence of Gaussian noise.

Пусть x(t)- линейный процесс, то есть x(t)=Στh(τ)u(t-τ), тогда отсюда следует, что:Let x (t) be a linear process, that is, x (t) = Σ τ h (τ) u (t-τ), then it follows that:

Figure 00000027
Figure 00000027

Figure 00000028
Figure 00000028

Figure 00000029
Figure 00000029

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

где γku=Cku(0). Отметим, что спектральная функция не несет никакой информации о фазе H(f). В противоположность этому, если процесс u(t) не гауссов, то эта информация может быть восстановлена из полиспектров высшего порядка.where γ ku = C ku (0). Note that the spectral function does not carry any information about the phase of H (f). In contrast, if the process u (t) is not Gaussian, then this information can be retrieved from higher order polyspectra.

Любой процесс может считаться линейным процессом в отношении его статистики второго порядка; то есть, при заданном Ryy, всегда можно найти {h(τ)} и некоррелированный процесс u(t), такой что Ryy(m)=Rxx(m), где x(t)=Σkh(τ)u(t-τ). Другими словами, по автокорреляционной последовательности не удается определить характеристики нелинейности. В противоположность этому, кумулянты высшего порядка позволяют это сделать.Any process can be considered a linear process with respect to its second-order statistics; that is, for a given R yy , one can always find {h (τ)} and an uncorrelated process u (t) such that R yy ( m) = R xx (m), where x (t) = Σ k h (τ ) u (t-τ). In other words, it is not possible to determine the characteristics of nonlinearity from the autocorrelation sequence. In contrast, higher-order cumulants allow this to be done.

Поскольку кумулянт второго порядка С(τ) - это корреляционная функция процесса x(t), то полиспектр второго порядка - это обычный спектр мощности. Аналогично, кумулянт третьего порядка совпадает с третьим моментом относительно среднего.Since the second-order cumulant C 2x (τ) is the correlation function of the process x (t), the second-order polyspectrum is the usual power spectrum. Similarly, the third-order cumulant coincides with the third moment relative to the mean.

Главное свойство полиспектров состоит в том, что если процесс x(t) - гауссов, то все его полиспектры, начиная с третьего порядка, тождественно равны нулю, поэтому их можно использовать в качестве меры отклонения конечномерных распределений процесса от гауссовости.The main property of polyspectra is that if the process x (t) is Gaussian, then all its polyspectra, starting from the third order, are identically zero, so they can be used as a measure of the deviation of the finite-dimensional distributions of the process from Gaussianity.

Таким образом, если процесс имеет ненулевой биспектр, это может объясняться следующими причинами:Thus, if a process has a nonzero bispectrum, this may be due to the following reasons:

- процесс подчиняется линейной модели с негауссовым формирующим шумом;- the process obeys a linear model with non-Gaussian shaping noise;

- процесс подчиняется нелинейной модели, причем шум может быть как гауссовым, так и негауссовым.- the process obeys a non-linear model, and the noise can be both Gaussian and non-Gaussian.

Биспектральная функция обладает свойствами подавления шумовых компонент, т.к. момент третьего порядка от гауссового процесса равен нулю, в то же время он реагирует на зависимость между дискретными частотными компонентами f1, f2, f3, если они удовлетворяют соотношению f1+f2+f3=0,где f3=-(f1+f2).The bispectral function has the properties of suppressing noise components, since the third-order moment of the Gaussian process is equal to zero, at the same time it reacts to the dependence between discrete frequency components f 1 , f 2 , f 3 , if they satisfy the relation f 1 + f 2 + f 3 = 0, where f 3 = - (f 1 + f 2 ).

Ценность информации, получаемой из биспектра, заключается в том, что эта характеристика помогает разобраться в структуре колебательного процесса, обнаружить участки спектра, статистически связанные между собой, а также выявить наличие комбинационных и модуляционных частот.The value of the information obtained from the bispectrum lies in the fact that this characteristic helps to understand the structure of the oscillatory process, to detect parts of the spectrum that are statistically related to each other, and also to reveal the presence of combination and modulation frequencies.

В отличие от спектра мощности, действительной положительной функции частоты, биспектр является комплексной величиной, поэтому чаще всего в диагностических целях используют модуль биспектра, который можно представить, как обобщенный диагностический признак с представлением его в матричной или векторной форме с последовательной разверткой по столбцам и строкам.In contrast to the power spectrum, a real positive function of frequency, the bispectrum is a complex quantity, therefore, the bispectrum module is most often used for diagnostic purposes, which can be represented as a generalized diagnostic feature with its representation in matrix or vector form with a sequential scan along columns and rows.

При дискретном характере колебаний биспектр является высокочувствительной характеристикой изменения параметров технического состояния роторных механизмов.With a discrete nature of oscillations, the bispectrum is a highly sensitive characteristic of changes in the parameters of the technical state of rotor mechanisms.

Нередки случаи, когда изменение параметра технического состояния механизма вызывает малые энергетические изменения акустического сигнала, влияя в то же время на фазовые соотношения между кратными частотными компонентами сигнала. По спектру невозможно уловить эти изменения, в то время как биспектр позволяет выявить фазовую информацию даже при наличии шумовой помехи.It is not uncommon for a change in the parameter of the technical state of the mechanism to cause small energy changes in the acoustic signal, at the same time affecting the phase relationships between multiple frequency components of the signal. It is impossible to capture these changes in the spectrum, while the bispectrum allows to reveal phase information even in the presence of noise interference.

Рассмотренные свойства полиспектров, в т.ч. биспектров, позволяют реализовать два алгоритма по оценке технического состояния опор ГТД на ресурсосберегающих режимах функционирования:The considered properties of polyspectra, incl. bispectra, allow to implement two algorithms for assessing the technical condition of GTE supports on resource-saving modes of operation:

1) Алгоритм проверки гипотез линейности и гауссовости исследуемого процесса;1) Algorithm for testing the hypotheses of linearity and Gaussianity of the process under study;

2) Алгоритм обработки матриц кумулянтов высших порядков с применением процедуры метрического шкалирования диагностических инвариантов в регуляризированной версии.2) Algorithm for processing higher-order cumulant matrices using the procedure of metric scaling of diagnostic invariants in the regularized version.

Для доступности понимания теоретической части предлагаемого изобретения рассмотрим примеры реализации данного способа.For an understanding of the theoretical part of the proposed invention, consider examples of the implementation of this method.

Пример 1. Для выявления диагностических инвариантов при использовании аппарата спектрального анализа высшего порядка на математической модели вибрационного процесса подшипников качения ГТД поставлен вычислительный эксперимент из следующих соображений:Example 1. To identify diagnostic invariants when using a higher-order spectral analysis apparatus, a computational experiment was carried out on the mathematical model of the vibration process of the GTE rolling bearings based on the following considerations:

Рассмотрим совокупности выборочных функций xi(k)(t)B виде моделируемых временных рядов для 5-ти повреждений:Consider a set of sample functions x i (k) (t) in the form of simulated time series for 5 damages:

- нарушение геометрии дорожек качения;- violation of the geometry of the raceways;

- дефект тела качения;- rolling element defect;

- касание сепаратором внутреннего кольца;- the separator touches the inner ring;

- дефект наружного кольца;- defect in the outer ring;

- дефект сепаратора. Будем считать процесс стационарным. Для каждого i-го повреждения моделируемые (наблюдаемые) временные ряды в виде матрицы-столбца xi(k) искажены шумом, таким образом, чтобы отношение сигнала к шуму Рсигн.шум=h варьировалось случайным образом в пределах [hmin; hmax].- separator defect. We will consider the process to be stationary. For each i-th damage, the modeled (observed) time series in the form of a column matrix x i (k) are distorted by noise, so that the signal-to-noise ratio P signal . / R noise = h varied randomly within [h min ; h max ].

При этом в модели разыгрываются также амплитуды дефектов, частоты вращения роторов, соответствующие значениям частот холодной или технологической прокруток (от 900 до 1800 об/мин). Количество реализаций для рассматриваемых примеров было ограничено 50.In this case, the model also plays out the amplitudes of defects, the rotational speed of the rotors corresponding to the values of the frequencies of cold or technological scrolling (from 900 to 1800 rpm). The number of implementations for the considered examples was limited to 50.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлены примеры временных реализаций и частотных спектров для двух повреждений с разным уровнем моделируемого шума (где: а) и б) - временные реализации при разном уровне наведенных помех; в) частотный спектр реализации (б)).FIG. 1 and FIG. 2 shows examples of temporal realizations and frequency spectra for two damages with different levels of simulated noise (where: a) and b) - temporal realizations at different levels of induced interference; c) the frequency spectrum of the implementation (b)).

В результате однофакторных экспериментов были получены совокупности реализаций в виде следующего массива:As a result of one-factor experiments, sets of implementations were obtained in the form of the following array:

Figure 00000033
Figure 00000033

Для каждой реализации xi(k) длиной 1024 значения рассчитываются кумулянты 3-го порядка С=cum3(i) (xi(k)) на окне шириной 1 равной 8,16,32,64,128 значений. В общем случае длина ряда может быть любой, однако желательно, чтобы длина последовательности входных данных являлась степенью числа 2 (1024,2048,4096 и т.д.), т.к. при этом алгоритм расчета кумулянт имеет максимальную производительность по времени (по аналогии с процедурой быстрого преобразования Фурье)(для 1024 точек - 11 с, для 1000 точек - 130 с)For each realization x i (k) with a length of 1024 values, cumulants of the 3rd order C 3x = cum 3 (i) (x i (k) ) are calculated on a window with a width of 1 equal to 8,16,32,64,128 values. In general, the length of the row can be any, but it is desirable that the length of the input data sequence be a power of 2 (1024,2048,4096, etc.), since in this case, the cumulant calculation algorithm has the maximum time performance (by analogy with the fast Fourier transform procedure) (for 1024 points - 11 s, for 1000 points - 130 s)

Расчеты показали, что оптимальной шириной окна для массивов указанной размерности является l=32,64 значения. Полученные значения кумулянтов cum3(i)(xi(k)) для каждой строки массива Xi(k) записываются в виде обучающей матрицы соответствующего повреждения (для 1024 значений исходного массива размерность матрицы кумулянтов 33×50):Calculations have shown that the optimal window width for arrays of the indicated dimension is l = 32.64 values. The obtained values of the cumulants cum 3 (i) (x i (k) ) for each row of the array X i (k) are written in the form of a training matrix of the corresponding damage (for 1024 values of the original array, the dimension of the cumulant matrix is 33 × 50):

Figure 00000034
Figure 00000034

Рассчитанные матрицы кумулянтов 3-го порядка представляют собой «эталонные» портреты повреждений, которые в дальнейшем используются для реализации процедуры многомерного шкалирования в регуляризированной версии аналогично диагностированию по термогазодинамическим параметрам. После расчета соответствующих матриц cum3(i) (xi(k)) по модели вибрационного процесса для 5-ти повреждений подшипника были построены годографы однократных дефектов (фиг. 3, 4 и 5). Так на фиг. 3 и 5 представлены под цифровыми обозначениями следующие виды дефектов: 1 - нарушение геометрии дорожек качения 2 - дефект тела качения; 3 - касание сепаратором внутреннего кольца; 4 - дефект наружного кольца; 5 - дефект сепаратора.The calculated matrices of the third-order cumulants are “reference” portraits of damage, which are subsequently used to implement the multidimensional scaling procedure in a regularized version, similar to diagnostics by thermogasdynamic parameters. After calculating the corresponding matrices cum 3 (i) (x i (k) ) according to the vibration process model for 5 bearing damages, hodographs of single defects were constructed (Figs. 3, 4 and 5). Thus, in FIG. 3 and 5 the following types of defects are presented under digital designations: 1 - violation of the geometry of the raceways; 2 - defect of the rolling body; 3 - the separator touches the inner ring; 4 - defect of the outer ring; 5 - separator defect.

Расчет кумулянтов и построения годографов повреждений подшипниковых узлов ГТД производились с помощью программной среды MATLAB.The calculation of cumulants and the construction of hodographs of damage to the bearing units of the gas turbine engine were carried out using the MATLAB software environment.

Поиск оптимальной проекции годографов в результате операции вращения в трехмерном пространстве позволяет найти (рассчитать) образ с наилучшими разрешающими свойствами. При этом следует учесть, что максимальные пики (крайние области годографов) соответствуют максимальным амплитудам моделируемого процесса, соотношение же уровня сигнала к шуму Рсигн.шум=h определяет ширину годографа и степень различимости дефектов.The search for the optimal projection of the hodographs as a result of the rotation operation in three-dimensional space makes it possible to find (calculate) the image with the best resolving properties. It should be taken into account that the maximum peaks (extreme areas of hodographs) correspond to the maximum amplitudes of the modeled process, while the signal-to-noise ratio Psign. / P noise = h determines the width of the hodograph and the degree of discernibility of defects.

Учитывая тот факт, что при моделировании задан уровень шума, искажающий сигнал с меньшим h, чем в реальном эксперименте, то можно предположить о соответствующей инвариантности пучка годографов к реальным шумам, что будет показано ниже.Taking into account the fact that during the simulation, a noise level was specified that distorts a signal with a lower h than in a real experiment, it can be assumed about the corresponding invariance of the hodograph beam to real noise, which will be shown below.

Следует учесть, что в предлагаемом методе оценки технического состояния опор ГТД, шумы не рассматриваются как диагностические признаки в связи с тем, что этот метод предполагает максимальное исключение различного рода помех при диагностировании ГТД на ресурсосберегающих режимах диагностирования (ХП, режим «выбега» роторов).It should be noted that in the proposed method for assessing the technical condition of GTE supports, noises are not considered as diagnostic signs due to the fact that this method assumes the maximum elimination of various kinds of interference when diagnosing GTE in resource-saving diagnostic modes (HP, rotor run-out mode).

На фиг. 6 и 7 показаны результаты визуализации гипотез линейности и гауссовости изучаемых процессов по одной и нескольким реализациям, полученным на математической модели вибрационного процесса. Под цифровыми обозначениями на фиг. 7 представлены следующие виды дефектов: 3 - касание сепаратором внутреннего кольца; 5 - дефект сепаратора.FIG. 6 and 7 show the results of visualization of the hypotheses of linearity and Gaussianity of the studied processes for one and several realizations obtained on the mathematical model of the vibration process. With reference numerals in FIG. 7 shows the following types of defects: 3 - contact with the separator of the inner ring; 5 - separator defect.

При наличии данных, полученных в процессе длительного измерения виброакустических характеристик (т.е. при наличии архивированных данных), возможно выполнить процедуру комплексного диагностирования на основе расчета соответствующих инвариантов и построения пространственной структуры годографов повреждений.In the presence of data obtained in the course of long-term measurement of vibroacoustic characteristics (i.e., in the presence of archived data), it is possible to perform a complex diagnostics procedure based on the calculation of the corresponding invariants and the construction of the spatial structure of damage hodographs.

Изложенные выше методы диагностирования и алгоритмы их реализации позволили убедиться в возможности их практического применения по результатам математического моделирования процессов, протекающих в газотурбинном двигателе.The above diagnostic methods and algorithms for their implementation made it possible to verify the possibility of their practical application based on the results of mathematical modeling of the processes occurring in a gas turbine engine.

Пример 2. Также было проведено тестирование разработанных методов и проверка их работоспособности на натурных объектах.Example 2. Also, the developed methods were tested and their performance checked on full-scale objects.

Для реализации предлагаемого способа на объектах диагностирования важно производить замеры вибрации в одних и тех же местах, называемых контрольными (штатными) точками измерения вибрации (как правило на подшипниковых опорах агрегата, корпусе агрегата и на анкерных фундаментных болтах).Для каждого газотурбинного агрегата контрольные точки определены руководящими документами (техническими описаниями, правилами эксплуатации и т.п.).To implement the proposed method at the objects of diagnostics, it is important to measure vibration in the same places, called control (standard) vibration measurement points (usually on the bearing supports of the unit, the unit casing and on the anchor foundation bolts). For each gas turbine unit, the control points are determined guiding documents (technical descriptions, operating rules, etc.).

Абсолютную вибрацию (при диагностировании большинства механических дефектов) рекомендуется измерять в трех взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном, горизонтально - поперечном и осевом. Преобразователи для измерения горизонтально - поперечной составляющей вибрации крепят на уровне оси вала против середины длины опорного вкладыша. Осевую составляющую вибрации следует измерять в точке, максимально приближенной к оси вала на корпусе опоры подшипника вблизи горизонтального разъема между крышкой и корпусом. Вертикальную составляющую вибрации измеряют на верхней части крышки подшипника над серединой его вкладыша.It is recommended to measure absolute vibration (when diagnosing most mechanical defects) in three mutually perpendicular directions: vertical, horizontal - transverse and axial. The transducers for measuring the horizontal - transverse component of vibration are fixed at the level of the shaft axis against the middle of the length of the support insert. The axial component of vibration should be measured at a point as close as possible to the shaft axis on the bearing support housing near the horizontal joint between the cover and the housing. The vertical component of vibration is measured at the top of the bearing cover above the center of the bearing shell.

Допускается измерение вертикальной, горизонтальной и осевой составляющих вибрации путем установки на верхнюю часть крышки подшипника трехкомпонентного вибродатчика для измерений вибрации во взаимно перпендикулярных направлениях совпадающих с главными осями агрегата.It is allowed to measure the vertical, horizontal and axial components of vibration by installing a three-component vibration sensor on the upper part of the bearing cover for measuring vibration in mutually perpendicular directions coinciding with the main axes of the unit.

Если невозможно проведение измерений по трем главным направлениям в зоне одного подшипника или требуется минимизация количества замеров, то допускается измерение вибрации по двум направлениям: осевом и одном из поперечных направлений. Предпочтение отдается поперечному направлению, как правило, соответствующему направлению минимальной жесткости системы. Допускается также осевую вибрацию привода, нагнетателя и др. узлов агрегата измерять только у подшипника свободного конца вала.If it is impossible to carry out measurements in three main directions in the area of one bearing or it is required to minimize the number of measurements, then vibration measurement in two directions is allowed: axial and one of the transverse directions. The preference is given to the transverse direction, as a rule, corresponding to the direction of the minimum rigidity of the system. It is also allowed to measure axial vibration of the drive, blower and other units of the unit only at the bearing of the free shaft end.

В качестве объекта диагностирования был выбран газотурбинный двигатель ДР-59Л № ДОО299456 газоперекачивающая станция «Пикалево». Следует отметить, что для данного двигателя имелся в наличии полный комплект диспетчерской и эксплуатационной документации, по которой возможно было проследить все этапы жизненного цикла изделия. Общая характеристика двигателя ДР-59Л №Д00299456 представлена в табличном виде (фиг.8).The gas turbine engine DR-59L No. DOO299456 gas pumping station "Pikalevo" was chosen as the object of diagnostics. It should be noted that for this engine, a complete set of dispatch and operational documentation was available, according to which it was possible to trace all stages of the product life cycle. The general characteristics of the DR-59L engine No. D00299456 are presented in tabular form (Fig. 8).

Освидетельствование ГТД на газоперекачивающая станция г. Пикалево проводилось с февраля по май 2016 года с последующей разборкой и дефектацией двигателя на Кронштадском Морском заводе в июле-сентябре 2016 года.The inspection of the gas turbine engine at the gas pumping station in Pikalyovo was carried out from February to May 2016, followed by disassembly and inspection of the engine at the Kronstadt Marine Plant in July-September 2016.

По согласованию с руководством ООО «Газпром Трансгаз Санкт-Петербург» было проведено инструментальное обследование ГТД. Программа освидетельствования двигателя включала в себя оценку его технического состояния на ХП с применением разработанных в настоящей работе методов.In agreement with the management of Gazprom Transgaz Saint Petersburg, an instrumental examination of the gas turbine engine was carried out. The engine inspection program included an assessment of its technical condition at the CP using the methods developed in this work.

Процедуры диагностирования инструментально были обеспечены подведением акустического датчика через слив масла из опоры ГТД с использованием аппаратного обеспечения ООО «Газпром Трансгаз Санкт-Петербург» и ООО «Оргтехдиагностика».Diagnostic procedures were instrumented by bringing an acoustic sensor through the oil drain from the GTE support using the hardware of Gazprom Transgaz Saint Petersburg and Orgtekhdiagnostika LLC.

Повторное инструментальное обследование проводилось с использованием штатной аппаратуры ООО «Газпром Трансгаз Санкт-Петербург».The repeated instrumental examination was carried out using the standard equipment of Gazprom Transgaz Saint Petersburg.

На фиг. 9 показан результат сравнения экспериментального годографа повреждения с годографами, полученными на основе расчетов по геометрическим характеристикам межвального подшипника.FIG. 9 shows the result of comparing the experimental damage travel time curve with travel time curves obtained on the basis of calculations based on the geometric characteristics of the inter-shaft bearing.

Проведенное исследование инструментальными методами подтвердили предварительный диагноз о разрушении подшипника промежуточной опоры ГТД. В совместном акте технического освидетельствования двигателя было рекомендовано эксплуатацию двигателя прекратить. ГТД ДР-59Л зав. № ДОО299456 был демонтирован и отправлен на КМОЛЗ (г.Кронштадт). В результате разборки и дефектации двигателя установлено:The research carried out by instrumental methods confirmed the preliminary diagnosis of the destruction of the bearing of the intermediate support of the gas turbine engine. In the joint act of technical examination of the engine, it was recommended to stop the operation of the engine. GTE DR-59L head. No. DOO299456 was dismantled and sent to KMOLZ (Kronstadt). As a result of disassembly and fault detection of the engine, it was established:

1) разрушение внутреннего кольца и сепаратора подшипника промежуточной опоры;1) destruction of the inner ring and bearing cage of the intermediate support;

2) выработка внутренней поверхности шлицевой втулки;2) development of the inner surface of the splined sleeve;

3) разрушение лабиринтных уплотнений на внешней поверхности втулки.3) destruction of labyrinth seals on the outer surface of the sleeve.

Таким образом, результаты дефектации полностью подтверждают предварительный диагноз, а своевременный демонтаж и отправка двигателя на ремонтное предприятие позволили предотвратить более серьезные разрушения.Thus, the results of flaw detection fully confirm the preliminary diagnosis, and timely dismantling and sending the engine to a repair facility prevented more serious damage.

Предлагаемый в работе способ диагностирования, а также его программное, алгоритмическое и аппаратное сопровождение использованы:The method of diagnostics proposed in the work, as well as its software, algorithmic and hardware support are used:

1) при формировании единой системы технического диагностирования ГТД в составе газоперекачивающих агрегатов ООО «Газпром Трансгаз Санкт-Петербург»1) in the formation of a unified system for technical diagnostics of gas turbine engines as part of gas-pumping units of OOO Gazprom Transgaz Saint Petersburg

2) в «Программе технического диагностирования и освидетельствования газотурбинных установок надводных кораблей ВМФ» НПО «Сатурн»2) in the "Program of technical diagnostics and inspection of gas turbine installations of surface ships of the Navy" NPO Saturn

Существенными признаками изобретения являются:The essential features of the invention are:

a) проведения диагностирования ГТД как на рабочих, так и на ресурсосберегающих режимах функционирования;a) diagnostics of the gas turbine engine both in working and resource-saving modes of operation;

b) возможность распознания (выявления) момента зарождения отказа на ранней стадии, тогда, когда отсутствовали явные тенденции в изменении параметров и нарушения в работе ГТД;b) the possibility of recognizing (revealing) the moment of initiation of a failure at an early stage, when there were no obvious tendencies in the change of parameters and disturbances in the operation of the gas turbine engine;

c) определение изменений корреляционных связей между каналами измерений и установление предварительного диагноза объекта диагностирования;c) determination of changes in correlations between measurement channels and establishment of a preliminary diagnosis of the object to be diagnosed;

d) подтверждение диагноза инструментальными методами диагностирования и дефектацией на ремонтных предприятиях.d) confirmation of the diagnosis by instrumental methods of diagnosis and defect detection at repair enterprises.

Таким образом, предлагаемый способ может быть применен для мониторинга вибросостояния ГТД морского и речного транспорта, кораблей и судов Военно-морского флота, а также может быть применен для вибродиагностирования двигателей, используемых в электроэнергетике и для транспортировки газа.Thus, the proposed method can be used to monitor the vibration state of gas turbine engines of sea and river transport, ships and vessels of the Navy, and can also be used for vibration diagnostics of engines used in the electric power industry and for gas transportation.

Литература:Literature:

1. Авторское свидетельство СССР №1107002, МКИ G01H 1/00. Устройство для виброакустической диагностики механизмов периодического действия. / Костюков В.Н. и Морозов С.А. // Заявл. 17.04.80; Опубл. 07.08.84; Бюл. - №29.1. USSR author's certificate No. 1107002, MKI G01H 1/00. A device for vibroacoustic diagnostics of intermittent mechanisms. / Kostyukov V.N. and Morozov S.A. // App. 04.17.80; Publ. 08/07/84; Bul. - No. 29.

2. Авторское свидетельство СССР №1000776 МКИ G01H 13/00 Способ вибрационной диагностики турбомашин. / Дорошенко С.М., Чемохуд Е.В. /. Заявл. 20.05.80; Опубл. 28.02.83; Бюл. - №8.2. USSR author's certificate No. 1000776 MKI G01H 13/00 Method of vibration diagnostics of turbomachines. / Doroshenko S.M., Chemokhud E.V. /. Appl. 05.20.80; Publ. 02/28/83; Bul. - No. 8.

3. Авторское свидетельство СССР №1652861 МКИ G01M 15/00 Устройство диагностики турбомашин. / Рындак В.К., Сидорин Г.Н. /. Заявл. 16.05.89; Опубл. 30.05.91; Бюл. - №20.3. USSR author's certificate No. 1652861 MKI G01M 15/00 Turbomachines diagnostics device. / Ryndak V.K., Sidorin G.N. /. Appl. 05/16/89; Publ. 05/30/91; Bul. - No. 20.

4. Бирюков Р.В., Кисилев Ю.В. Вибродиагностика роторных подшипников газотурбинных двигателей с использованием режимов холодной прокрутки. - М.: Машиностроение. /https://cyberleninka.ru/viewer_images/16908885/f/4.png/4. Biryukov R.V., Kisilev Yu.V. Vibration diagnostics of rotary bearings of gas turbine engines using cold cranking modes. - M .: Mechanical engineering. /https://cyberleninka.ru/viewer_images/16908885/f/4.png/

5. Богданов С.С., Колесник В.А., Макшанов А.В. Обнаружение и классификация дефектных состояний машин и механизмов по результатам многоканальных измерений различной физической природы., - «Экология и атомная энергетика». Сб.трудов МАНЭБ, СПб: 1999, с. 37.5. Bogdanov S.S., Kolesnik V.A., Makshanov A.V. Detection and classification of defective states of machines and mechanisms based on the results of multichannel measurements of various physical nature. - "Ecology and nuclear energy". Collection of works of MANEB, St. Petersburg: 1999, p. 37.

6. Патент РФ №1343259, МКИ G01M 7/00. Устройство для виброакустической диагностики механизмов периодического действия. / Костюков В.Н./ Заявл. 24.02.86; Опубл. 07.10.87.; Бюл. - №37.6. RF patent No. 1343259, MKI G01M 7/00. A device for vibroacoustic diagnostics of intermittent mechanisms. / Kostyukov V.N. / Appl. 02.24.86; Publ. 10/07/87 .; Bul. - No. 37.

7. Патент РФ №2337341, МКИ G01M 15/00(2006.01), G01M 7/02(2006.01). Способ вибродиагностики технического состояния поршневых машин по спектральным инвариантам / Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н./ Заявл. 11.04.2007; Опубл. 27.10.2008.7. RF patent No. 2337341, MKI G01M 15/00 (2006.01), G01M 7/02 (2006.01). Method of vibrodiagnostics of the technical condition of piston machines by spectral invariants / Kostyukov V.N., Naumenko A.P., Boychenko S.N. / Appl. 04/11/2007; Publ. October 27, 2008.

Claims (1)

Способ вибродиагностики технического состояния газотурбинных двигателей на ресурсосберегающих режимах с применением теории инвариантов основан на измерении и анализе информационных массивов виброакустических параметров объекта диагностирования, полученных на режимах холодной или технологической прокруток двигателя, установлении и исследовании изменения корреляционных связей между каналами измерений в системе вибродиагностики с применением теории инвариантов и кумулянтов спектров высших порядков, и как результат - определение технического состояния объекта в ходе сравнения результатов исследования с их эталонными значениями.The method of vibrodiagnostics of the technical state of gas turbine engines in resource-saving modes using the theory of invariants is based on the measurement and analysis of information arrays of vibroacoustic parameters of the diagnostic object, obtained in the modes of cold or technological engine scrolling, establishing and studying the change in correlations between the measurement channels in the vibration diagnostics system using the theory of invariants and cumulants of spectra of higher orders, and as a result - determination of the technical state of the object in the course of comparing the research results with their reference values.
RU2020111994A 2020-03-23 2020-03-23 Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory RU2754476C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111994A RU2754476C1 (en) 2020-03-23 2020-03-23 Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111994A RU2754476C1 (en) 2020-03-23 2020-03-23 Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2754476C1 true RU2754476C1 (en) 2021-09-02

Family

ID=77669948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020111994A RU2754476C1 (en) 2020-03-23 2020-03-23 Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2754476C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2783616C1 (en) * 2021-10-19 2022-11-15 Общество с ограниченной ответственностью «ГТЛАБ Диагностика» Method for vibration diagnostics for detecting incipient defects of industrial equipment

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1103926A2 (en) * 1999-11-26 2001-05-30 General Electric Company Methods and apparatus for model-based diagnostics
EP1619489A1 (en) * 2004-07-19 2006-01-25 Techspace Aero Test equipment for the development of an aircraft gas turbine engine
RU2369854C2 (en) * 2007-10-01 2009-10-10 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Method to control gas turbine engine state
RU2513054C1 (en) * 2013-04-11 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" Gas turbine engine health variation estimation and fault-finding in operation

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1103926A2 (en) * 1999-11-26 2001-05-30 General Electric Company Methods and apparatus for model-based diagnostics
US7020595B1 (en) * 1999-11-26 2006-03-28 General Electric Company Methods and apparatus for model based diagnostics
EP1619489A1 (en) * 2004-07-19 2006-01-25 Techspace Aero Test equipment for the development of an aircraft gas turbine engine
RU2369854C2 (en) * 2007-10-01 2009-10-10 Открытое акционерное общество "Авиадвигатель" Method to control gas turbine engine state
RU2513054C1 (en) * 2013-04-11 2014-04-20 Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" Gas turbine engine health variation estimation and fault-finding in operation

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2783616C1 (en) * 2021-10-19 2022-11-15 Общество с ограниченной ответственностью «ГТЛАБ Диагностика» Method for vibration diagnostics for detecting incipient defects of industrial equipment
RU2813716C1 (en) * 2023-06-06 2024-02-15 Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") Method for diagnosing technical condition of gas turbine engine
RU2812379C1 (en) * 2023-06-30 2024-01-30 Публичное Акционерное Общество "Одк-Сатурн" Method for diagnosing condition of gas turbine engine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Delvecchio et al. Vibro-acoustic condition monitoring of Internal Combustion Engines: A critical review of existing techniques
Huo et al. Incipient fault diagnosis of roller bearing using optimized wavelet transform based multi-speed vibration signatures
Dinardo et al. A smart and intuitive machine condition monitoring in the Industry 4.0 scenario
Zhou et al. A novel entropy-based sparsity measure for prognosis of bearing defects and development of a sparsogram to select sensitive filtering band of an axial piston pump
El-Thalji et al. A summary of fault modelling and predictive health monitoring of rolling element bearings
Wu et al. Continuous wavelet transform technique for fault signal diagnosis of internal combustion engines
He et al. Health monitoring of cooling fan bearings based on wavelet filter
US9588015B2 (en) Diagnostic method and diagnostic device for a slide bearing
Lin et al. Hyper-spherical distance discrimination: A novel data description method for aero-engine rolling bearing fault detection
Klausen et al. Multi-band identification for enhancing bearing fault detection in variable speed conditions
Abdeltwab et al. A Review on Engine Fault Diagnosis through Vibration Analysis
Rehab et al. The influence of rolling bearing clearances on diagnostic signatures based on a numerical simulation and experimental evaluation
Mongia et al. Vibration response-based condition monitoring and fault diagnosis of rotary machinery
Ali et al. Observations of changes in acoustic emission parameters for varying corrosion defect in reciprocating compressor valves
Delvecchio et al. On the use of cyclostationary indicators in IC engine quality control by cold tests
Lu et al. CEEMD-assisted bearing degradation assessment using tight clustering
Bornassi et al. Tip-timing measurements of transient vibrations in mistuned bladed disks
Diehl et al. Predictive Modeling of a Two‐Stage Gearbox towards Fault Detection
Pancaldi et al. Impact of noise model on the performance of algorithms for fault diagnosis in rolling bearings
El Morsy et al. Rolling bearing fault diagnosis techniques-autocorrelation and cepstrum analyses
Chi et al. Spectral DCS-based feature extraction method for rolling element bearing pseudo-fault in rotor-bearing system
RU2754476C1 (en) Method for vibrational diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-conserving modes using invariant theory
RU2754479C1 (en) Method for vibration diagnostics of technical condition of gas turbine engines in resource-saving modes using theory of invariants
Mohamad et al. Gear fault diagnostics using extended phase space topology
Hajnayeb et al. Vibration measurement for crack and rub detection in rotors